CN101939402A

CN101939402A - 提高色彩饱和度的基于led的光源

Info

Publication number: CN101939402A
Application number: CN2009801047479A
Authority: CN
Inventors: P·J·M·范德伯格特; R·T·韦格
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-02-11
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2011-01-05
Also published as: TW201000600A; JP2011514667A; US20100327306A1; WO2009101553A1

Abstract

提供了一种发光设备，该设备包括光源，该光源包括发射出可见光辐射的至少一个发光二极管。所述发光设备还包括波长转换体，该波长转换体包括第一波长转换材料，其被布置用以接收由所述光源所发射出的光并且其在从600nm至700nm的范围内具有发射最大值。第一波长转换材料包含镁(Mg)、锗(Ge)、氧(O)和锰(Mn)元素。根据本发明的发光设备产生具有增加的红色饱和度的光。而且，实现了长寿命和良好的色彩稳定性。

Description

提高色彩饱和度的基于LED的光源

技术领域

本发明涉及发光设备，其包括基于发光二极管的光源以及波长转换体，该波长转换体包括波长转换材料，其被布置用以接收由所述光源所发出的光。

背景技术

在许多情况中，比如零售或交易市场中，以吸引人的方式展示例如新鲜食品之类的物品是期望的。就照明而论，这通常意味着应当增强物品的色彩，也就是说，物品应当显示出更多的色彩饱和度。

为此，在当前通常使用紧凑型高亮度气体放电灯，比如超高压钠灯(例如SDW-T灯)或者特殊荧光灯。就超高压钠灯而言，通常使用附加的滤镜以获取所需的饱和度，但是这造成低下的系统效能。另外超高压钠灯具有较短的寿命(大约6000小时)并且其色彩在这一寿命期限内是不稳定的。荧光灯的缺点在于其线性尺寸和长度，这导致其可应用性受到限制。

原则上可以使用基于发光二极管(LED)的解决方案来克服上述缺点。通过按期望比例组合具有不同光谱输出例如蓝色、绿色、琥珀色和红色的发光二极管(LED)，可以获得提供特定色彩饱和度的总光谱输出。但是，由于不同色彩LED的使用导致复杂的装纳(binning)问题，这一解决方案具有低效率和高系统复杂度的缺点。而且，因为尤其是红色LED随电流和温度在输出光谱中呈现出强烈的变化，故需要复杂的控制系统来维持色点稳定性。其结果是，灯的成本高昂。

在一般照明应用中，可以通过仅使用蓝色LED并由荧光剂(波长转换材料)对部分蓝光进行转换而获得白光输出，来克服具有不同色彩的LED的系统的一些缺点。但是，就专用照明应用而言，许多蓝光转换荧光剂的缺点在于它们一般呈现出宽发射光谱，并因而无法实现色彩的高饱和度。

因而，存在对于可通过其实现色彩的高饱和度的、高效率、长寿命并且呈现出良好的色彩稳定性的照明设备的需求。

发明内容

本发明的目的是至少部分地克服现有技术的上述缺点并且提供可通过其获得较高的色彩饱和度的基于LED的发光设备。

发明人发现，使用由从LED发射的可见光辐射所激发并且在红光波长范围内发光的特殊红色荧光剂，导致对于特定应用具有非常理想的光谱特性的光的发射。特别是，红色的饱和度得到增加。

因而，在一方面，本发明涉及一种发光设备，该发光设备包括光源，其包括至少一个发射可见光辐射的发光二极管；以及波长转换体，其包括第一波长转换材料，其被布置用以接收由所述光源所发射的光并且在从600nm至700nm的波长范围内具有发射最大值，所述第一波长转换材料包含镁(Mg)、锗(Ge)、氧(O)和锰(Mn)元素。

所述至少一个发光二极管通常在从400nm至450nm的范围内，优选在420nm左右具有发射最大值。出人意料地，发明人发现，尽管Mg₄GeO_5.5F:Mn具有最大值位于约420nm处的相当弱的吸收带，以在400nm-450nm的波长范围内的蓝光对Mg₄GeO_5.5F:Mn进行激发可以提供良好的转换效率。

优选地，光源还包括反光材料，比如反光层。反光层将会改变从光源向后散射的光以及波长转换体向后发射的经转换光的方向，以增加发光设备的光输出。其结果是，发光设备的效能得到了提高。

优选地，光源和所述波长转换体被相互间隔地布置。通过在光源与波长转换体之间引入间隔，由于散射或向后发射进入混光腔的光被更加有效的散播，设备的效率可以得到提高。特别是，通过将光源和波长转换体之间的间隔与反光材料的使用相结合，由于这样光可以被更加有效地改变方向而从发光设备中出射，发光设备的效能得到了非常大的提高。

另外，至少光源和波长转换体可以限定混光腔。可选地，发光设备另外包括侧壁，其至少部分地在光源与波长转换体之间延伸。侧壁的使用防止了光从不理想的方向逃逸，并且该侧壁可以被用作例如反光层之类的各种其它部件的基板。通常，侧壁的至少一部分是反光的。

反光侧壁使得散射或由波长转换体向后发射进入混光腔的光可以改变方向，以增加发光设备的光输出。从而，设备的效能可以得到提高。

另外，发光设备还包括第二波长转换材料，其具有在光源的发射最大值与第一波长转换材料的发射最大值之间的发射最大值。第一波长转换材料与常规绿色荧光剂(在500nm-550nm的波长范围内发光)的结合被发现是特别有利的，因为由此在较高红色饱和度以外获得了在绿色色调范围内的较高色彩饱和度。包括所述第一和第二波长转换材料两者的发光设备因而在总体显色性仍可接受的同时提供非常高的红色和绿色饱和度。较高的红色和绿色饱和度在特定应用，例如鲜肉、鱼、水果和蔬菜等新鲜食品的照明中，是非常理想的，但其在各种其他零售或者展览照明应用中也可能是有利的。而且，根据本发明的实施方式的包括蓝色LED、和包含第一波长转换材料的波长转换体的发光设备可被有利地用于例如户外照明用途，因为能效较高，显色指数(CRI)对于这一应用是可接受的，并且红色的高饱和度通过皮肤色彩的饱和度而提供改善的面部识别。

而且，使用根据如上所述的发光设备，可以获得较长的寿命和稳定的色彩。

在发光设备包括第二波长转换材料时，发射高达450nm波长的光的光源可以是特别优选的，因为这些波长可以比约420nm的波长提供绿色荧光剂的更佳的激发。第二波长转换材料通常包含镥(Lu)、铝(Al)、氧(O)和铈(Ce)元素。

除第一波长转换材料以外，波长转换体还可以包括所述第二波长转换材料。相较于在发光设备中的不同位置分别应用这两种波长转换材料，通过在波长转换体中结合这两种波长转换材料，例如通过在波长转换体中混合这两种材料，发光设备的生产变得更加简单和更加经济。但是，将波长转换材料相分离能够提供更好的色彩控制并且最小化荧光剂之间不期望的相互作用。因此，第二波长转换材料可以例如被提供在侧壁的至少一部分上。

发光设备此外可以包括光漫射层，其被布置用以漫射从发光设备中出射的光。光漫射层使得从发光设备出射的光可以以期望的图案成形。因而，发光设备可以被适配以满足各种用户需求。

例如，波长转换体可以包括光漫射层。

附图说明

图1为根据本发明的实施方式的发光设备的示意图。

图2为示出根据本发明的实施方式的发光设备的总输出光谱的图示。

具体实施方式

发明人出人意料地发现，与发射可见光辐射的发光二极管(LED)协同使用特殊的红色波长转换材料导致对于特定应用具有非常理想的光谱特性的光的发射，因为红色的饱和度得到了提高。根据本发明，提供有发光设备，该设备包括光源，其包括至少一个发射可见光辐射的发光二极管。发光设备还包括波长转换体，其包括第一波长转换材料，其被布置用以接收由所述光源所发射的光。波长转换材料在从600nm至700nm的波长范围内发光，并且包含镁(Mg)、锗(Ge)、氧(O)和锰(Mn)元素。第一波长通常具有最大值在约660nm处的，在600nm-700nm的波长范围内的窄发射光谱。现在将参考随附的附图对本发明做出详细描述。

图1示出根据本发明的一实施方式的发光设备1。光源2被装设在设备的底部。发光设备1可以是向下照明模块、向上照明模块，并且可以形成例如货架照明系统的一部分。

光源2包括多个装设在基板4上的发光二极管(LED)3。这些LED被设计用以发射可见光辐射。优选地，光源在从400nm至450nm的波长范围内具有发射最大值，并且更加优选地在大约420nm。

另外，波长转换体6包括被布置用以接收由光源2所发射的光的第一波长转换材料。波长转换材料包含镁(Mg)、锗(Ge)、氧(O)和锰(Mn)元素(在此也被称为MGM)。通常，MGM材料包含化合物MgO、GeO₂和MnO。另外，MGM材料可以包括额外的元素，比如氟(F)和/或锡(Sn)等。氟的存在通常会改善MGM材料的温度依赖特性。但是，在本发明中，第一波长转换材料的温度通常较低，并且因此氟，或者其它具有类似功能的元素在波长转换材料中的存在是可选的。当氟存在时，其可以处于MgF₂的形式，并且其量可以有所不同。BeO是MgF₂的可能的替代物(例如GB701033A)。

根据本发明的第一波长转换材料(MGM材料)的一个示例是Mg₄GeO_5.5F:Mn。在其中不存在氟的另一示例是Mg₄GeO₆:Mn。但是，镁(Mg)、锗(Ge)、氧(O)和锰(Mn)元素之间的化学计量比在由不同制造商所提供的MGM材料之间可能会有所不同。Mg₄GeO_5.5F:Mn和Mg₄GeO₆:Mn因此应当被视为近似分子式。根据本发明，也可以使用与上述这些稍有不同的化学计量分子式。

MGM具有最大值位于约660nm处的，在从600nm至700nm的波长范围内的窄发射光谱。MGM是用于在UV激发下使用的已知荧光剂，并且被用在例如红色饱和荧光灯中用于对肉类的照明。出人意料地，将MGM与发射可见光辐射，特别是在从400nm至450nm范围内的光的光源协同使用，现在被发现会产生光的包括更高的红色饱和度的光谱功率分布。

MGM的吸收光谱示出最大值在约420nm处的相当弱的吸收带。因此，为了最大化来自波长转换材料的发射输出，在约420nm处发光的光源是优选的。

在以蓝光(400nm-450nm)进行泵送时，需要相当厚的MGM层来实现蓝光的充分转换。但是，可以通过向设备提供反光材料，用以将由LED所发射的光导向波长转换体，以及/或者将由波长转换体朝光源散射或向后发射的光反射，而提高发光设备的效能。以这种方式，光可以被引导在发光设备的光输出方向中。在图1中，侧壁5在光源2与波长转换体6之间延伸。可选地，侧壁5的至少一部分是反光的。例如，侧壁5可以设置有面向波长转换体的反光层。任何常规反光材料都可以被用于反光层，比如金属或者白色反光膜。图1的侧壁5可以形成一个连续侧壁的一部分。

而且，基板4被覆盖以高反光材料层9以确保向后散射或发射的光的良好的重定向。在本发明的实施方式中，光源2包括反光基板。可选地，至少一个LED可以被布置在该反光基板上。

在图1中，光源2与波长转换体6被相互间隔地布置。相较于在其中波长转换体被毗邻光源布置的布置方式，当在波长转换体与光源之间存在间隔时，由波长转换体所发射的光的较少部分被导向LED芯片并在那里被吸收。因而，光源与波长转换体之间的间隔使得效能能够得到提高。例如，波长转换体6可以位于光源2与出射窗8之间的光路中，优选地靠近出射窗。在图1中所示的实施方式中，波长转换体6位于出射窗8之中。

当光源与波长转换体被相互间隔地布置时，可以如上所述地装设反光材料，以进一步提高发光设备的效能。

在本发明的实施方式中，光源2和波长转换体6限定混光腔。可选地，混光腔可以由比如侧壁之类的额外的结构所限定。在图1中，光源2、波长转换体6和侧壁5限定混光腔，在该混光腔中由光源2所发射的光可以与波长转换的光相混合。光经由出射窗8从混光腔出射。当发光设备包括反光材料时，反光材料通常被布置用以将从光源发射的光朝波长转换体或者波长转换材料重定向，并且/或者将光朝出射窗重定向，以增加期望波长的光从混光腔的输出。

使用可见光LED-MGM荧光剂组合，可以预期较长的寿命和稳定的色彩。另外，包括根据本发明的发光设备的照明系统可以被制成紧凑型的，以允许紧凑型灯具的设计。此处所述的发光设备的效能目前相当于使用滤镜的超高压钠系统的效能，并且随着LED性能的提高有望在几年内超越超高压钠灯的效能。

另外，波长转换体6可以包括第二波长转换材料。通常，发光设备包括这样的第二波长转换材料，该材料具有在光源的发射最大值与第一波长转换材料的发射最大值之间，优选地在绿光波长范围内的发射最大值。任何常规的绿色波长转换材料，例如包含镥(Lu)、铝(Al)、氧(O)和铈(Ce)元素的材料，比如Lu₃Al₅O₁₂:Ce(在此也被称为LuAG)，都可以被使用。如很容易由本领域内的技术人员所理解的那样，化学计量分子式Lu₃Al₅O₁₂:Ce是近似的，并且从这一分子式的微小偏离以及加入额外的元素都是可以的。如上所述的第一波长转换材料、第二波长转换材料以及光源的组合被发现会提供非常高的红色和绿色的饱和度。特别是，LuAG在根据以上描述的发光设备中的使用在整体显色仍然充足(CRI 70)的情况下提供非常高的红色和绿色的饱和度。可以获得各种色温的白光。

应当指出的是，此处任何对于“波长转换的光”的参考都是指由存在于发光设备中的任何波长转换材料，例如第一波长转换材料和/或第二波长转换材料，所转换的光。

第二波长转换材料可以被提供在发光设备中的任何合适的位置上。例如，第二波长转换材料可以被安排在侧壁部分的至少一部分上。由波长转换材料，比如第一波长转换材料或者第二波长装换材料所覆盖的侧壁部分，可以是反光的，用以对由波长转换材料所透射或发射的光进行反射。因而，由波长转换材料所透射或发射的光可以被反射回混光腔并且随后以理想的方向，例如通过出射窗，从发光设备中出射。另外，第二波长转换材料可以被至少部分地包括于波长转换体之中。例如，第二波长转换材料可以与第一波长转换材料相混合。备选地，第二波长转换材料和第一波长转换材料可以占据波长转换体的不同区域。例如，第二波长转换材料和第一波长转换材料可以形成独立的层。

当第二波长转换材料与第一波长转换材料协同使用时，使用发射出的光的波长长于420nm，例如高达450nm的光源可能是有利的，因为随之可以获得第二波长转换材料的更好的激发。另外，在约450nm处发光的LED比420nm LED更容易从市场上购得，在约450nm处发光的光源可提供在经济上更具有吸引力的替代。

在图1中所示的实施方式中，位于出射窗8上的波长转换体6还包括漫射层10，将光束成形为期望的辐射图案。可选地，波长转换材料，例如第一和/或第二波长转换材料，可以被布置作为光漫射层10上的涂层。备选地，波长转换材料可以并入光漫射层10之中。而且，波长转换材料可以被提供在毗邻光漫射层处，例如在透射基板上。

另外，可以在发光设备1的出射窗8上放置反光体用以生成期望的光束图案。设备1还可以设置有外壳，在该外壳上可以固定散热器、反光体和灯具外壳部件。

所述至少一个LED可以被置于用以连接发光设备和散热器的散热片上，以确保妥善的热管理。LED驱动器以期望的电流驱动LED模块。LED驱动器可以是恒定输出，但也可以是可调的。

图2示出包括作为光源的420nm蓝色LED泵浦、包含有MGM的第一波长转换材料、以及作为第二波长转换材料的LuAG的发光设备的实验总输出光谱。该设备发射出具有3800K的修正的色温(CCT)的白光。但是，也可以获得各种其他色温的白光。

为了表示通过本发明的实施方式而获得的饱和度的增加，使用普朗克(Planckian)辐射体作为参考发光体，为常规SDW-T系统(超高压钠系统)和上述LED-MGM-LuAG系统相应地计算了在从红色至黄色的色调范围中的超过6000种色彩的平均饱和度。肉类产品、鱼、水果以及许多种蔬菜的色彩见于这一色调范围内。这一色调范围的平均饱和度被表示为相对饱和数，该相对饱和数代表色彩饱和度相对于参考发光体的增加。对于绿色色调范围可以导出类似的数据。

由此产生的计算的相对饱和数被呈现于以下的表1中。

表1：与普朗克辐射体相比较的平均饱和度

这些结果指示出，对于需要较高的红色和绿色的饱和度的照明应用例如新鲜食物的照明而言，蓝色LED-MGM-LuAG系统的性能预期比常规SDW-T系统要好得多。对于以上的SDW-T系统，浅红色至黄色的平均饱和度比LED-MGM-LuAG要低得多(0.61相比1.11)，从而展示了LED系统的更高的色彩饱和度。在浅绿色范围中LED-MGM-LuAG系统是非常优越的(1.14相比-0.6)。

应当明白，以上描述是示例说明性的而不是对本发明的范围做出限制。例如，包括至少一个如上所述的发光设备并且设置有适当的驱动电子电路并且可能还包括散热片、光导或任何其他光学元件，以及支撑结构的任何类型的照明系统也为本发明所包括。

根据以上描述的发光设备可以在这样的照明系统中被有利地使用，该照明系统用于在其中较高的红色饱和度，并且可选地绿色饱和度受到期望的应用，比如零售、交易市场、表演、博物馆、展览会、画廊和各种其他展会，以及户外照明。

Claims

1.一种发光设备(1)，包括：

光源(2)，其包括发射出可见光辐射的至少一个发光二极管(3)；以及

波长转换体(6)，其包括第一波长转换材料，其被布置用以接收由所述光源(2)所发射的光，并且在从600nm至700nm的波长范围内具有发射最大值，所述第一波长转换材料包含镁(Mg)、锗(Ge)、氧(O)和锰(Mn)元素。

2.根据权利要求1的发光设备，其中所述光源(2)在从400nm至450nm的波长范围内具有发射最大值。

3.根据权利要求1或2的发光设备，其中所述光源(2)还包括反光层(4)。

4.根据任意前述权利要求的发光设备，其中所述光源(2)和所述波长转换体(6)被相互间隔地布置。

5.根据任意前述权利要求的发光设备，其中至少所述光源(2)与所述波长转换体(6)限定混光腔。

6.根据任意前述权利要求的发光设备，还包括侧壁(5)，其至少部分地在所述光源(2)与所述波长转换体(6)之间延伸。

7.根据权利要求6的发光设备，其中所述侧壁(5)的至少一部分是反光的。

8.根据任意前述权利要求的发光设备，还包括第二波长转换材料，该材料具有在所述光源的发射最大值与所述第一波长转换材料的发射最大值之间的发射最大值。

9.根据权利要求8的发光设备，其中所述第二波长转换材料包含镥(Lu)、铝(Al)、氧(O)和铈(Ce)元素。

10.根据权利要求8或9的发光设备，其中所述波长转换体(6)包括所述第二波长转换材料。

11.根据权利要求8至10中的任意一项的发光设备，其中所述第二波长转换材料被提供在侧壁(5)的至少一部分上。

12.根据任意前述权利要求的发光设备，还包括光漫射层(10)，其被布置用以对从所述发光设备出射的光进行漫射。

13.根据权利要求12的发光设备，其中所述波长转换体(6)包括所述光漫射层(10)。